一種適用于自動化起重機的多源故障報警系統*

余丹炯

上海振華重工(集團)股份有限公司設計研究總院智慧院

1 引言

隨著港口起重機的自動化和智能化程度越來越高,各種傳感器、變頻驅動裝置、高精度檢測裝置、工業攝像頭等設備以及調度、管理等軟件系統在起重機上的應用也越來越多。傳統的起重機管理系統往往只能跟起重機的PLC通訊,進行預先設定的關鍵點報警。對于自動化程度高的起重機的故障監控,該方案存在故障監控點不足、難于精確定位、指導用戶排故和維保有限、后期擴展難等問題。針對這些問題,提出一種可監控多故障源、擴展性強、支持大容量數據的故障報警系統。

2 系統概述

適用于自動化起重機的多源故障報警系統,充分考慮自動化起重機的復雜性、系統多樣性、大數據量的并發特性,以分散采集、壓縮傳輸、集中顯示的方式設計。系統以單機數據為基點,通過OPC UA與底層設備、各控制子系統如PLC、激光器、智能電表、調度系統等通訊,獲得其報警源數據。

系統由起重機側和中控側組成,在起重機側進行多源數據的采集和處理,并轉成統一的格式上傳到中控側(見圖1)。中控側集中收集多臺起重機報警數據后,進行解壓、解析、與數據庫聯動生成數據發送至應用端。應用端對收集到的數據進行分析,生成不同的分析報表。同時應用端也可以把用戶對于故障數據的定義進行修改,發送給故障服務器,進行熱更新。整套系統采用B/S架構,前后端分離設計,支持主流瀏覽器以及其他不同終端的訪問。

圖1 系統架構圖

3 系統運作原理

3.1 起重機側

起重機側包括故障發生源和采集儀。故障發生源包括起重機上各種變頻器、激光掃描、自動化控制系統等發生故障引起起重機運行異常的故障數據來源。采集儀上部署數據采集、分析和傳輸軟件。本采集儀內置ZPMC OPC UA,其支持港機行業常用的PLC系統,通過內嵌的驅動獲取起重機的運行數據,也支持MQTT、MQ等常見的消息總線,與調度系統、吊具管理系統等通訊。單臺設備上的采集儀把這些多元異構數據匯總后,進行統一編碼、緩存、壓縮和發送。

故障分為開關量故障和模擬量故障。考慮到單臺的故障定義數就可達上萬條,本系統的采集儀在起重機側對這2大類故障的觸發機制、傳輸方式進行設計。

3.1.1 開關量故障觸發機制

開關量故障即故障位的值為True時,故障觸發;為False時,故障解決。如起升機構減速箱低油位故障,減速箱油位低于正常值時輸出True,發出報警,提醒用戶進行下一步處理;當油位正常后,該故障值變為False。以一臺雙小車岸邊集裝箱起重機為例,該類故障為約5 000個。針對此類故障,本系統把32個開關量的故障點打包成1個4字節數據進行傳輸,把開關量的點位定義壓縮至1/32,從而降低數采軟件壓力和傳輸壓力。

3.1.2 模擬量故障觸發機制

模擬量故障是指一個模擬量值符合定義條件時觸發相對應的故障,如風速值大于20 m/s觸發大風報警故障。此后若風速值在20 m/s以上波動,系統會一直觸發這條故障,直至風速值降為20 m/s以下。

另一種模擬量故障命名為codeFault,即該模擬量在不同的點值時代表不同的故障。如自動化起重機的目標檢測系統的故障字等于8 008時,表示目標檢測系統出現馬達運行超時故障;該值等于8 020時,表示自動標定失敗故障。1個無符號的雙字節的取值范圍是0～65 535,這意味著1個無符號的雙字節模擬量最多可以定義65 535條故障。以岸邊集裝箱起重機為例,codeFault常用于變頻器的故障,其每個故障字都有上萬條故障定義[1]。每臺全自動雙小車岸邊集裝箱起重機一般配有數十個變頻器,傳統的監控軟件需要為此定義十幾萬條變頻器故障,對于軟件而言負擔太大。為了解決這個問題,根據codeFault同一時刻只能觸發1條故障的特性,本系統設計了一套機制,只需定義1條大于零的故障,具體的故障含義則根據系統運行時讀取的實時值而定,步驟如下。

步驟一:定義1條故障規則codeFault>0。

步驟二:系統實時監測步驟一所定義規則是否滿足,若滿足,則轉入步驟三。

步驟三:系統讀取codeFault當前的實時值,檢索數據庫獲取當前值代表的故障含義并推送至應用端,轉入步驟四。

步驟四:系統監測codeFault是否保持上一步驟的值,如是,不做操作;如不是,則關閉步驟三觸發的故障,回到步驟二開始新一輪的該條規則的監測。

該機制可縮減編寫程序的工作量,減少數據通訊量。與上文中提到的大風報警故障不同的是,codeFault的值變化時會結束已有的故障且觸發一條新的故障,直至點值為0,說明所有的故障已解決。

3.1.3 故障傳輸機制

每個采集儀負責每臺起重機的數據收集和處理,為了節約與中控的數據通訊量,將只有狀態發生變化的報警數據源打包發送。采集儀對每次采集到的數據進行處理比對,把變化的數據進行打包,采用自定義的protobuf消息體進行傳輸,推送至中控端。Protobuf是一種數據序列化工具和通信協議,全稱為Protocol Buffers,被廣泛應用于分布式系統、通信協議、數據存儲等領域。依靠其高壓縮率的特點,本系統實現了上百萬條故障的數據吞吐[2]。

考慮到單機與中控之間存在通訊波動問題,采集端會在通訊中斷的情況下,把故障數據緩存起來,等通訊恢復后,再同步至中控側,確保故障數據的完整性。

3.2 中控側

中控側的故障服務由故障定義服務、故障監聽服務、故障存儲服務、故障數據服務、故障展示服務組成(見圖2)。故障服務接收來自于各起重機側的故障數據,把這些故障數據進行處理、存儲等操作后,以多種方式進行呈現。

圖2 數據流程圖

3.2.1 故障定義服務

該服務定義起重機確切的故障含義,包括故障的等級、類別、觸發條件、發生原因、現象、解決方法等。如上文中提到的codeFault,每一類變頻器的故障定義都由該服務管理。故障定義服務作為基礎服務為其他服務提供定義信息,并可接收來自應用端的更新需求,提供故障熱更新服務,可優化用戶的使用體驗。

自動化起重機的智能化程度高,所用的新技術多,這意味著故障定義庫需要不斷地更新。常規的監控軟件對故障定義進行改動時,往往需要改動工程文件,進而需要重新進行編譯、重啟服務等操作,這會影響現場調試工程師的工作效率。本系統研發了故障定義熱更新服務,有權限的用戶只需在網頁上打開故障配置頁面進行更新、下載即可完成,其他客戶端只需進行一步刷新操作就可生效。

3.2.2 故障監聽服務

當故障監聽服務器接收到變化的數據包后,對數據包進行解析。變化的數據包括如下幾種情況:觸發條件由滿足變成不滿足、觸發條件由不滿足變成滿足、數據質量由壞變成好、數據質量由好變成壞。故障監聽服務根據變化情況對故障狀態進行更新,對于codeFault類型的故障則進行進一步解析,如對應的模擬量值為0時把該模擬量上次觸發的故障更新為已解決;如收到的值為非0時則表示有新的故障觸發,此時故障監聽服務判斷該模擬量是否在這之前已經觸發過其他故障,如是,則把上一次故障標識為已解決,同時觸發一條新的故障。

3.2.3 故障存儲服務

故障存儲服務接收來自故障監聽服務的消息,將相應的故障變化記錄至關系型數據庫并提供應用端的數據查詢服務。該服務會記錄每一條故障發生的開始時間、結束時間、發生部件、故障發生時的一些特征值等詳細信息。

考慮到自動化起重機的故障數量多,為了優化數據查詢效率,存儲服務首先根據故障分類、等級對故障進行分庫存儲,把發生頻率高的事件類單獨存儲,并單獨設置其老化周期。其次利用數據庫的自動化任務調度,定期將故障數據按照日、周、月、年進行抽取存儲,按照年表、月表、周表、日表和詳表這幾種數據精度進行歸并,實現故障數據的快速檢索。

3.2.4 故障數據服務

故障數據是自動化起重機重要的運行狀態數據,為了滿足碼頭其它系統對其數據的需求,故障報警系統設計了3種數據服務接口。第一種是RESTful接口,是一種基于HTTP協議的接口,使用標準的HTTP方法和狀態碼,以及遵循一致的數據格式進行數據交換,這種一致性使得不同系統之間的集成更加簡單。第二種是OPC UA接口,是一種開放的、跨平臺的通信協議和數據模型,用于實現工業自動化系統中不同設備和應用程序之間的交互操作。第三種是文件方式,故障數據服務可定期導出為CSV格式的數據文件供外部系統取用。

3.2.5 故障展示服務

用戶可通過瀏覽器訪問該系統,對故障定義進行修改。故障的展示包括實時故障顯示、故障追溯、歷史故障分析等。

(1)實時故障顯示。實時故障是正在發生的故障,包括故障發生的時間、設備號、部位等詳細信息,以彈窗方式顯示提醒用戶,不同等級的故障以不同顏色區別顯示。為了幫助用戶更快地解決故障,點選某一條故障后可快速跳轉至故障幫助。故障幫助不僅有積累了解決方法的專家知識庫,還能與故障追溯功能聯動。

(2)故障追溯。自動化起重機的機理復雜,為了更好地排查問題,本系統提供數據聯合查詢的方式。故障發生前后起重機的一些特征值往往有異常波動,基于這個特性,故障追溯模塊以故障發生的時刻為基點,與記錄起重機運動參數的數據庫聯動,描繪出參數的波形圖。用戶可以選擇或者事先定義好關聯的數據,將其圖形化地顯示出來,也可導出數據進行下一步分析。這種直觀的表現方式可以幫助用戶快速定位問題,解決故障,減少故障停機時間。

(3)歷史故障分析。用戶可以選擇一段時間從數據庫里查詢出故障記錄。系統以列表和圖表相結合的方式呈現,如提供故障平均發生時間的柱狀圖顯示、不同故障類別以及不同故障級別的占比餅圖顯示等。同時還對故障進行分析,如可根據故障發生頻次排序展示最影響起重機運行的前10種故障。

考慮到某些特別故障需要及時上報,特別設計故障推送機制。通過與用戶管理系統聯動,相關故障觸發后第一時間通過郵件、短信、微信等方式推送至相關人員。

4 結語

自動化起重機的多源故障報警系統可解決傳統工業監控軟件依賴于微軟操作系統的問題,實現跨平臺運行,且不再局限于PLC的數據來源,從而把自動化起重機上的所有系統納入監控范圍。該系統在提高起重機的安全性、減少停機損失、提高運行效率、延長設備壽命等方面可發揮重要作用。